xref: /DragonOS/kernel/src/mm/page.rs (revision a381e482cbe742b2e4bbeaacae134a8131bf3f91)
1 use core::{
2     fmt::{self, Debug, Error, Formatter},
3     marker::PhantomData,
4     mem,
5     ops::Add,
6     sync::atomic::{compiler_fence, Ordering},
7 };
8 
9 use crate::{
10     arch::{interrupt::ipi::send_ipi, MMArch},
11     exception::ipi::{IpiKind, IpiTarget},
12     kerror, kwarn,
13 };
14 
15 use super::{
16     allocator::page_frame::FrameAllocator, syscall::ProtFlags, MemoryManagementArch, PageTableKind,
17     PhysAddr, VirtAddr,
18 };
19 
20 #[derive(Debug)]
21 pub struct PageTable<Arch> {
22     /// 当前页表表示的虚拟地址空间的起始地址
23     base: VirtAddr,
24     /// 当前页表所在的物理地址
25     phys: PhysAddr,
26     /// 当前页表的层级(请注意,最顶级页表的level为[Arch::PAGE_LEVELS - 1])
27     level: usize,
28     phantom: PhantomData<Arch>,
29 }
30 
31 #[allow(dead_code)]
32 impl<Arch: MemoryManagementArch> PageTable<Arch> {
33     pub unsafe fn new(base: VirtAddr, phys: PhysAddr, level: usize) -> Self {
34         Self {
35             base,
36             phys,
37             level,
38             phantom: PhantomData,
39         }
40     }
41 
42     /// 获取顶级页表
43     ///
44     /// ## 参数
45     ///
46     /// - table_kind 页表类型
47     ///
48     /// ## 返回值
49     ///
50     /// 返回顶级页表
51     pub unsafe fn top_level_table(table_kind: PageTableKind) -> Self {
52         return Self::new(
53             VirtAddr::new(0),
54             Arch::table(table_kind),
55             Arch::PAGE_LEVELS - 1,
56         );
57     }
58 
59     /// 获取当前页表的物理地址
60     #[inline(always)]
61     pub fn phys(&self) -> PhysAddr {
62         self.phys
63     }
64 
65     /// 当前页表表示的虚拟地址空间的起始地址
66     #[inline(always)]
67     pub fn base(&self) -> VirtAddr {
68         self.base
69     }
70 
71     /// 获取当前页表的层级
72     #[inline(always)]
73     pub fn level(&self) -> usize {
74         self.level
75     }
76 
77     /// 获取当前页表自身所在的虚拟地址
78     #[inline(always)]
79     pub unsafe fn virt(&self) -> VirtAddr {
80         return Arch::phys_2_virt(self.phys).unwrap();
81     }
82 
83     /// 获取第i个页表项所表示的虚拟内存空间的起始地址
84     pub fn entry_base(&self, i: usize) -> Option<VirtAddr> {
85         if i < Arch::PAGE_ENTRY_NUM {
86             let shift = self.level * Arch::PAGE_ENTRY_SHIFT + Arch::PAGE_SHIFT;
87             return Some(self.base.add(i << shift));
88         } else {
89             return None;
90         }
91     }
92 
93     /// 获取当前页表的第i个页表项所在的虚拟地址(注意与entry_base进行区分)
94     pub unsafe fn entry_virt(&self, i: usize) -> Option<VirtAddr> {
95         if i < Arch::PAGE_ENTRY_NUM {
96             return Some(self.virt().add(i * Arch::PAGE_ENTRY_SIZE));
97         } else {
98             return None;
99         }
100     }
101 
102     /// 获取当前页表的第i个页表项
103     pub unsafe fn entry(&self, i: usize) -> Option<PageEntry<Arch>> {
104         let entry_virt = self.entry_virt(i)?;
105         return Some(PageEntry::from_usize(Arch::read::<usize>(entry_virt)));
106     }
107 
108     /// 设置当前页表的第i个页表项
109     pub unsafe fn set_entry(&self, i: usize, entry: PageEntry<Arch>) -> Option<()> {
110         let entry_virt = self.entry_virt(i)?;
111         Arch::write::<usize>(entry_virt, entry.data());
112         return Some(());
113     }
114 
115     /// 判断当前页表的第i个页表项是否已经填写了值
116     ///
117     /// ## 参数
118     /// - Some(true) 如果已经填写了值
119     /// - Some(false) 如果未填写值
120     /// - None 如果i超出了页表项的范围
121     pub fn entry_mapped(&self, i: usize) -> Option<bool> {
122         let etv = unsafe { self.entry_virt(i) }?;
123         if unsafe { Arch::read::<usize>(etv) } != 0 {
124             return Some(true);
125         } else {
126             return Some(false);
127         }
128     }
129 
130     /// 根据虚拟地址,获取对应的页表项在页表中的下标
131     ///
132     /// ## 参数
133     ///
134     /// - addr: 虚拟地址
135     ///
136     /// ## 返回值
137     ///
138     /// 页表项在页表中的下标。如果addr不在当前页表所表示的虚拟地址空间中,则返回None
139     pub unsafe fn index_of(&self, addr: VirtAddr) -> Option<usize> {
140         let addr = VirtAddr::new(addr.data() & Arch::PAGE_ADDRESS_MASK);
141         let shift = self.level * Arch::PAGE_ENTRY_SHIFT + Arch::PAGE_SHIFT;
142 
143         let mask = (MMArch::PAGE_ENTRY_NUM << shift) - 1;
144         if addr < self.base || addr >= self.base.add(mask) {
145             return None;
146         } else {
147             return Some((addr.data() >> shift) & MMArch::PAGE_ENTRY_MASK);
148         }
149     }
150 
151     /// 获取第i个页表项指向的下一级页表
152     pub unsafe fn next_level_table(&self, index: usize) -> Option<Self> {
153         if self.level == 0 {
154             return None;
155         }
156 
157         // 返回下一级页表
158         return Some(PageTable::new(
159             self.entry_base(index)?,
160             self.entry(index)?.address().ok()?,
161             self.level - 1,
162         ));
163     }
164 }
165 
166 /// 页表项
167 #[derive(Copy, Clone)]
168 pub struct PageEntry<Arch> {
169     data: usize,
170     phantom: PhantomData<Arch>,
171 }
172 
173 impl<Arch> Debug for PageEntry<Arch> {
174     fn fmt(&self, f: &mut Formatter<'_>) -> Result<(), Error> {
175         f.write_fmt(format_args!("PageEntry({:#x})", self.data))
176     }
177 }
178 
179 impl<Arch: MemoryManagementArch> PageEntry<Arch> {
180     #[inline(always)]
181     pub fn new(paddr: PhysAddr, flags: PageFlags<Arch>) -> Self {
182         Self {
183             data: MMArch::make_entry(paddr, flags.data()),
184             phantom: PhantomData,
185         }
186     }
187     #[inline(always)]
188     pub fn from_usize(data: usize) -> Self {
189         Self {
190             data,
191             phantom: PhantomData,
192         }
193     }
194 
195     #[inline(always)]
196     pub fn data(&self) -> usize {
197         self.data
198     }
199 
200     /// 获取当前页表项指向的物理地址
201     ///
202     /// ## 返回值
203     ///
204     /// - Ok(PhysAddr) 如果当前页面存在于物理内存中, 返回物理地址
205     /// - Err(PhysAddr) 如果当前页表项不存在, 返回物理地址
206     #[inline(always)]
207     pub fn address(&self) -> Result<PhysAddr, PhysAddr> {
208         let paddr: PhysAddr = {
209             #[cfg(target_arch = "x86_64")]
210             {
211                 PhysAddr::new(self.data & Arch::PAGE_ADDRESS_MASK)
212             }
213 
214             #[cfg(target_arch = "riscv64")]
215             {
216                 let ppn = ((self.data & (!((1 << 10) - 1))) >> 10) & ((1 << 44) - 1);
217                 super::allocator::page_frame::PhysPageFrame::from_ppn(ppn).phys_address()
218             }
219         };
220 
221         if self.present() {
222             Ok(paddr)
223         } else {
224             Err(paddr)
225         }
226     }
227 
228     #[inline(always)]
229     pub fn flags(&self) -> PageFlags<Arch> {
230         unsafe { PageFlags::from_data(self.data & Arch::ENTRY_FLAGS_MASK) }
231     }
232 
233     #[inline(always)]
234     pub fn set_flags(&mut self, flags: PageFlags<Arch>) {
235         self.data = (self.data & !Arch::ENTRY_FLAGS_MASK) | flags.data();
236     }
237 
238     #[inline(always)]
239     pub fn present(&self) -> bool {
240         return self.data & Arch::ENTRY_FLAG_PRESENT != 0;
241     }
242 }
243 
244 /// 页表项的标志位
245 #[derive(Copy, Clone, Hash)]
246 pub struct PageFlags<Arch> {
247     data: usize,
248     phantom: PhantomData<Arch>,
249 }
250 
251 #[allow(dead_code)]
252 impl<Arch: MemoryManagementArch> PageFlags<Arch> {
253     #[inline(always)]
254     pub fn new() -> Self {
255         let mut r = unsafe {
256             Self::from_data(
257                 Arch::ENTRY_FLAG_DEFAULT_PAGE
258                     | Arch::ENTRY_FLAG_READONLY
259                     | Arch::ENTRY_FLAG_NO_EXEC,
260             )
261         };
262 
263         #[cfg(target_arch = "x86_64")]
264         {
265             if crate::arch::mm::X86_64MMArch::is_xd_reserved() {
266                 r = r.set_execute(true);
267             }
268         }
269 
270         return r;
271     }
272 
273     /// 根据ProtFlags生成PageFlags
274     ///
275     /// ## 参数
276     ///
277     /// - prot_flags: 页的保护标志
278     /// - user: 用户空间是否可访问
279     pub fn from_prot_flags(prot_flags: ProtFlags, user: bool) -> PageFlags<Arch> {
280         let flags: PageFlags<Arch> = PageFlags::new()
281             .set_user(user)
282             .set_execute(prot_flags.contains(ProtFlags::PROT_EXEC))
283             .set_write(prot_flags.contains(ProtFlags::PROT_WRITE));
284 
285         return flags;
286     }
287 
288     #[inline(always)]
289     pub fn data(&self) -> usize {
290         self.data
291     }
292 
293     #[inline(always)]
294     pub const unsafe fn from_data(data: usize) -> Self {
295         return Self {
296             data: data,
297             phantom: PhantomData,
298         };
299     }
300 
301     /// 为新页表的页表项设置默认值
302     ///
303     /// 默认值为:
304     /// - present
305     /// - read only
306     /// - kernel space
307     /// - no exec
308     #[inline(always)]
309     pub fn new_page_table(user: bool) -> Self {
310         return unsafe {
311             let r = {
312                 #[cfg(target_arch = "x86_64")]
313                 {
314                     Self::from_data(Arch::ENTRY_FLAG_DEFAULT_TABLE | Arch::ENTRY_FLAG_READWRITE)
315                 }
316 
317                 #[cfg(target_arch = "riscv64")]
318                 {
319                     // riscv64指向下一级页表的页表项,不应设置R/W/X权限位
320                     Self::from_data(Arch::ENTRY_FLAG_DEFAULT_TABLE)
321                 }
322             };
323             if user {
324                 r.set_user(true)
325             } else {
326                 r
327             }
328         };
329     }
330 
331     /// 取得当前页表项的所有权,更新当前页表项的标志位,并返回更新后的页表项。
332     ///
333     /// ## 参数
334     /// - flag 要更新的标志位的值
335     /// - value 如果为true,那么将flag对应的位设置为1,否则设置为0
336     ///
337     /// ## 返回值
338     ///
339     /// 更新后的页表项
340     #[inline(always)]
341     #[must_use]
342     pub fn update_flags(mut self, flag: usize, value: bool) -> Self {
343         if value {
344             self.data |= flag;
345         } else {
346             self.data &= !flag;
347         }
348         return self;
349     }
350 
351     /// 判断当前页表项是否存在指定的flag(只有全部flag都存在才返回true)
352     #[inline(always)]
353     pub fn has_flag(&self, flag: usize) -> bool {
354         return self.data & flag == flag;
355     }
356 
357     #[inline(always)]
358     pub fn present(&self) -> bool {
359         return self.has_flag(Arch::ENTRY_FLAG_PRESENT);
360     }
361 
362     /// 设置当前页表项的权限
363     ///
364     /// @param value 如果为true,那么将当前页表项的权限设置为用户态可访问
365     #[must_use]
366     #[inline(always)]
367     pub fn set_user(self, value: bool) -> Self {
368         return self.update_flags(Arch::ENTRY_FLAG_USER, value);
369     }
370 
371     /// 用户态是否可以访问当前页表项
372     #[inline(always)]
373     pub fn has_user(&self) -> bool {
374         return self.has_flag(Arch::ENTRY_FLAG_USER);
375     }
376 
377     /// 设置当前页表项的可写性, 如果为true,那么将当前页表项的权限设置为可写, 否则设置为只读
378     ///
379     /// ## 返回值
380     ///
381     /// 更新后的页表项.
382     ///
383     /// **请注意,**本函数会取得当前页表项的所有权,因此返回的页表项不是原来的页表项
384     #[must_use]
385     #[inline(always)]
386     pub fn set_write(self, value: bool) -> Self {
387         #[cfg(target_arch = "x86_64")]
388         {
389             // 有的架构同时具有可写和不可写的标志位,因此需要同时更新
390             return self
391                 .update_flags(Arch::ENTRY_FLAG_READONLY, !value)
392                 .update_flags(Arch::ENTRY_FLAG_READWRITE, value);
393         }
394 
395         #[cfg(target_arch = "riscv64")]
396         {
397             if value {
398                 return self.update_flags(Arch::ENTRY_FLAG_READWRITE, true);
399             } else {
400                 return self.update_flags(Arch::ENTRY_FLAG_READONLY, true);
401             }
402         }
403     }
404 
405     /// 当前页表项是否可写
406     #[inline(always)]
407     pub fn has_write(&self) -> bool {
408         // 有的架构同时具有可写和不可写的标志位,因此需要同时判断
409         return self.data & (Arch::ENTRY_FLAG_READWRITE | Arch::ENTRY_FLAG_READONLY)
410             == Arch::ENTRY_FLAG_READWRITE;
411     }
412 
413     /// 设置当前页表项的可执行性, 如果为true,那么将当前页表项的权限设置为可执行, 否则设置为不可执行
414     #[must_use]
415     #[inline(always)]
416     pub fn set_execute(self, mut value: bool) -> Self {
417         #[cfg(target_arch = "x86_64")]
418         {
419             // 如果xd位被保留,那么将可执行性设置为true
420             if crate::arch::mm::X86_64MMArch::is_xd_reserved() {
421                 value = true;
422             }
423         }
424 
425         // 有的架构同时具有可执行和不可执行的标志位,因此需要同时更新
426         return self
427             .update_flags(Arch::ENTRY_FLAG_NO_EXEC, !value)
428             .update_flags(Arch::ENTRY_FLAG_EXEC, value);
429     }
430 
431     /// 当前页表项是否可执行
432     #[inline(always)]
433     pub fn has_execute(&self) -> bool {
434         // 有的架构同时具有可执行和不可执行的标志位,因此需要同时判断
435         return self.data & (Arch::ENTRY_FLAG_EXEC | Arch::ENTRY_FLAG_NO_EXEC)
436             == Arch::ENTRY_FLAG_EXEC;
437     }
438 
439     /// 设置当前页表项的缓存策略
440     ///
441     /// ## 参数
442     ///
443     /// - value: 如果为true,那么将当前页表项的缓存策略设置为不缓存。
444     #[inline(always)]
445     pub fn set_page_cache_disable(self, value: bool) -> Self {
446         return self.update_flags(Arch::ENTRY_FLAG_CACHE_DISABLE, value);
447     }
448 
449     /// 获取当前页表项的缓存策略
450     ///
451     /// ## 返回值
452     ///
453     /// 如果当前页表项的缓存策略为不缓存,那么返回true,否则返回false。
454     #[inline(always)]
455     pub fn has_page_cache_disable(&self) -> bool {
456         return self.has_flag(Arch::ENTRY_FLAG_CACHE_DISABLE);
457     }
458 
459     /// 设置当前页表项的写穿策略
460     ///
461     /// ## 参数
462     ///
463     /// - value: 如果为true,那么将当前页表项的写穿策略设置为写穿。
464     #[inline(always)]
465     pub fn set_page_write_through(self, value: bool) -> Self {
466         return self.update_flags(Arch::ENTRY_FLAG_WRITE_THROUGH, value);
467     }
468 
469     /// 获取当前页表项的写穿策略
470     ///
471     /// ## 返回值
472     ///
473     /// 如果当前页表项的写穿策略为写穿,那么返回true,否则返回false。
474     #[inline(always)]
475     pub fn has_page_write_through(&self) -> bool {
476         return self.has_flag(Arch::ENTRY_FLAG_WRITE_THROUGH);
477     }
478 
479     /// MMIO内存的页表项标志
480     #[inline(always)]
481     pub fn mmio_flags() -> Self {
482         return Self::new()
483             .set_user(false)
484             .set_write(true)
485             .set_execute(true)
486             .set_page_cache_disable(true)
487             .set_page_write_through(true);
488     }
489 }
490 
491 impl<Arch: MemoryManagementArch> fmt::Debug for PageFlags<Arch> {
492     fn fmt(&self, f: &mut fmt::Formatter<'_>) -> fmt::Result {
493         f.debug_struct("PageFlags")
494             .field("bits", &format_args!("{:#0x}", self.data))
495             .field("present", &self.present())
496             .field("has_write", &self.has_write())
497             .field("has_execute", &self.has_execute())
498             .field("has_user", &self.has_user())
499             .finish()
500     }
501 }
502 
503 /// 页表映射器
504 #[derive(Hash)]
505 pub struct PageMapper<Arch, F> {
506     /// 页表类型
507     table_kind: PageTableKind,
508     /// 根页表物理地址
509     table_paddr: PhysAddr,
510     /// 页分配器
511     frame_allocator: F,
512     phantom: PhantomData<fn() -> Arch>,
513 }
514 
515 impl<Arch: MemoryManagementArch, F: FrameAllocator> PageMapper<Arch, F> {
516     /// 创建新的页面映射器
517     ///
518     /// ## 参数
519     /// - table_kind 页表类型
520     /// - table_paddr 根页表物理地址
521     /// - allocator 页分配器
522     ///
523     /// ## 返回值
524     ///
525     /// 页面映射器
526     pub unsafe fn new(table_kind: PageTableKind, table_paddr: PhysAddr, allocator: F) -> Self {
527         return Self {
528             table_kind,
529             table_paddr,
530             frame_allocator: allocator,
531             phantom: PhantomData,
532         };
533     }
534 
535     /// 创建页表,并为这个页表创建页面映射器
536     pub unsafe fn create(table_kind: PageTableKind, mut allocator: F) -> Option<Self> {
537         let table_paddr = allocator.allocate_one()?;
538         // 清空页表
539         let table_vaddr = Arch::phys_2_virt(table_paddr)?;
540         Arch::write_bytes(table_vaddr, 0, Arch::PAGE_SIZE);
541         return Some(Self::new(table_kind, table_paddr, allocator));
542     }
543 
544     /// 获取当前页表的页面映射器
545     #[inline(always)]
546     pub unsafe fn current(table_kind: PageTableKind, allocator: F) -> Self {
547         let table_paddr = Arch::table(table_kind);
548         return Self::new(table_kind, table_paddr, allocator);
549     }
550 
551     /// 判断当前页表分配器所属的页表是否是当前页表
552     #[inline(always)]
553     pub fn is_current(&self) -> bool {
554         return unsafe { self.table().phys() == Arch::table(self.table_kind) };
555     }
556 
557     /// 将当前页表分配器所属的页表设置为当前页表
558     #[inline(always)]
559     pub unsafe fn make_current(&self) {
560         Arch::set_table(self.table_kind, self.table_paddr);
561     }
562 
563     /// 获取当前页表分配器所属的根页表的结构体
564     #[inline(always)]
565     pub fn table(&self) -> PageTable<Arch> {
566         // 由于只能通过new方法创建PageMapper,因此这里假定table_paddr是有效的
567         return unsafe {
568             PageTable::new(VirtAddr::new(0), self.table_paddr, Arch::PAGE_LEVELS - 1)
569         };
570     }
571 
572     /// 获取当前PageMapper所对应的页分配器实例的引用
573     #[inline(always)]
574     #[allow(dead_code)]
575     pub fn allocator_ref(&self) -> &F {
576         return &self.frame_allocator;
577     }
578 
579     /// 获取当前PageMapper所对应的页分配器实例的可变引用
580     #[inline(always)]
581     pub fn allocator_mut(&mut self) -> &mut F {
582         return &mut self.frame_allocator;
583     }
584 
585     /// 从当前PageMapper的页分配器中分配一个物理页,并将其映射到指定的虚拟地址
586     pub unsafe fn map(
587         &mut self,
588         virt: VirtAddr,
589         flags: PageFlags<Arch>,
590     ) -> Option<PageFlush<Arch>> {
591         compiler_fence(Ordering::SeqCst);
592         let phys: PhysAddr = self.frame_allocator.allocate_one()?;
593         compiler_fence(Ordering::SeqCst);
594         return self.map_phys(virt, phys, flags);
595     }
596 
597     /// 映射一个物理页到指定的虚拟地址
598     pub unsafe fn map_phys(
599         &mut self,
600         virt: VirtAddr,
601         phys: PhysAddr,
602         flags: PageFlags<Arch>,
603     ) -> Option<PageFlush<Arch>> {
604         // 验证虚拟地址和物理地址是否对齐
605         if !(virt.check_aligned(Arch::PAGE_SIZE) && phys.check_aligned(Arch::PAGE_SIZE)) {
606             kerror!(
607                 "Try to map unaligned page: virt={:?}, phys={:?}",
608                 virt,
609                 phys
610             );
611             return None;
612         }
613 
614         let virt = VirtAddr::new(virt.data() & (!Arch::PAGE_NEGATIVE_MASK));
615 
616         // TODO: 验证flags是否合法
617 
618         // 创建页表项
619         let entry = PageEntry::new(phys, flags);
620         let mut table = self.table();
621         loop {
622             let i = table.index_of(virt)?;
623             assert!(i < Arch::PAGE_ENTRY_NUM);
624             if table.level() == 0 {
625                 // todo: 检查是否已经映射
626                 // 现在不检查的原因是,刚刚启动系统时,内核会映射一些页。
627                 if table.entry_mapped(i)? == true {
628                     kwarn!("Page {:?} already mapped", virt);
629                 }
630 
631                 compiler_fence(Ordering::SeqCst);
632 
633                 table.set_entry(i, entry);
634                 compiler_fence(Ordering::SeqCst);
635                 return Some(PageFlush::new(virt));
636             } else {
637                 let next_table = table.next_level_table(i);
638                 if let Some(next_table) = next_table {
639                     table = next_table;
640                     // kdebug!("Mapping {:?} to next level table...", virt);
641                 } else {
642                     // 分配下一级页表
643                     let frame = self.frame_allocator.allocate_one()?;
644 
645                     // 清空这个页帧
646                     MMArch::write_bytes(MMArch::phys_2_virt(frame).unwrap(), 0, MMArch::PAGE_SIZE);
647 
648                     // 设置页表项的flags
649                     let flags: PageFlags<Arch> =
650                         PageFlags::new_page_table(virt.kind() == PageTableKind::User);
651 
652                     // kdebug!("Flags: {:?}", flags);
653 
654                     // 把新分配的页表映射到当前页表
655                     table.set_entry(i, PageEntry::new(frame, flags));
656 
657                     // 获取新分配的页表
658                     table = table.next_level_table(i)?;
659                 }
660             }
661         }
662     }
663 
664     /// 将物理地址映射到具有线性偏移量的虚拟地址
665     #[allow(dead_code)]
666     pub unsafe fn map_linearly(
667         &mut self,
668         phys: PhysAddr,
669         flags: PageFlags<Arch>,
670     ) -> Option<(VirtAddr, PageFlush<Arch>)> {
671         let virt: VirtAddr = Arch::phys_2_virt(phys)?;
672         return self.map_phys(virt, phys, flags).map(|flush| (virt, flush));
673     }
674 
675     /// 修改虚拟地址的页表项的flags,并返回页表项刷新器
676     ///
677     /// 请注意,需要在修改完flags后,调用刷新器的flush方法,才能使修改生效
678     ///
679     /// ## 参数
680     /// - virt 虚拟地址
681     /// - flags 新的页表项的flags
682     ///
683     /// ## 返回值
684     ///
685     /// 如果修改成功,返回刷新器,否则返回None
686     pub unsafe fn remap(
687         &mut self,
688         virt: VirtAddr,
689         flags: PageFlags<Arch>,
690     ) -> Option<PageFlush<Arch>> {
691         return self
692             .visit(virt, |p1, i| {
693                 let mut entry = p1.entry(i)?;
694                 entry.set_flags(flags);
695                 p1.set_entry(i, entry);
696                 Some(PageFlush::new(virt))
697             })
698             .flatten();
699     }
700 
701     /// 根据虚拟地址,查找页表,获取对应的物理地址和页表项的flags
702     ///
703     /// ## 参数
704     ///
705     /// - virt 虚拟地址
706     ///
707     /// ## 返回值
708     ///
709     /// 如果查找成功,返回物理地址和页表项的flags,否则返回None
710     pub fn translate(&self, virt: VirtAddr) -> Option<(PhysAddr, PageFlags<Arch>)> {
711         let entry: PageEntry<Arch> = self.visit(virt, |p1, i| unsafe { p1.entry(i) })??;
712         let paddr = entry.address().ok()?;
713         let flags = entry.flags();
714         return Some((paddr, flags));
715     }
716 
717     /// 取消虚拟地址的映射,释放页面,并返回页表项刷新器
718     ///
719     /// 请注意,需要在取消映射后,调用刷新器的flush方法,才能使修改生效
720     ///
721     /// ## 参数
722     ///
723     /// - virt 虚拟地址
724     /// - unmap_parents 是否在父页表内,取消空闲子页表的映射
725     ///
726     /// ## 返回值
727     /// 如果取消成功,返回刷新器,否则返回None
728     #[allow(dead_code)]
729     pub unsafe fn unmap(&mut self, virt: VirtAddr, unmap_parents: bool) -> Option<PageFlush<Arch>> {
730         let (paddr, _, flusher) = self.unmap_phys(virt, unmap_parents)?;
731         self.frame_allocator.free_one(paddr);
732         return Some(flusher);
733     }
734 
735     /// 取消虚拟地址的映射,并返回物理地址和页表项的flags
736     ///
737     /// ## 参数
738     ///
739     /// - vaddr 虚拟地址
740     /// - unmap_parents 是否在父页表内,取消空闲子页表的映射
741     ///
742     /// ## 返回值
743     ///
744     /// 如果取消成功,返回物理地址和页表项的flags,否则返回None
745     pub unsafe fn unmap_phys(
746         &mut self,
747         virt: VirtAddr,
748         unmap_parents: bool,
749     ) -> Option<(PhysAddr, PageFlags<Arch>, PageFlush<Arch>)> {
750         if !virt.check_aligned(Arch::PAGE_SIZE) {
751             kerror!("Try to unmap unaligned page: virt={:?}", virt);
752             return None;
753         }
754 
755         let mut table = self.table();
756         return unmap_phys_inner(virt, &mut table, unmap_parents, self.allocator_mut())
757             .map(|(paddr, flags)| (paddr, flags, PageFlush::<Arch>::new(virt)));
758     }
759 
760     /// 在页表中,访问虚拟地址对应的页表项,并调用传入的函数F
761     fn visit<T>(
762         &self,
763         virt: VirtAddr,
764         f: impl FnOnce(&mut PageTable<Arch>, usize) -> T,
765     ) -> Option<T> {
766         let mut table = self.table();
767         unsafe {
768             loop {
769                 let i = table.index_of(virt)?;
770                 if table.level() == 0 {
771                     return Some(f(&mut table, i));
772                 } else {
773                     table = table.next_level_table(i)?;
774                 }
775             }
776         }
777     }
778 }
779 
780 /// 取消页面映射,返回被取消映射的页表项的:【物理地址】和【flags】
781 ///
782 /// ## 参数
783 ///
784 /// - vaddr 虚拟地址
785 /// - table 页表
786 /// - unmap_parents 是否在父页表内,取消空闲子页表的映射
787 /// - allocator 页面分配器(如果页表从这个分配器分配,那么在取消映射时,也需要归还到这个分配器内)
788 ///
789 /// ## 返回值
790 ///
791 /// 如果取消成功,返回被取消映射的页表项的:【物理地址】和【flags】,否则返回None
792 unsafe fn unmap_phys_inner<Arch: MemoryManagementArch>(
793     vaddr: VirtAddr,
794     table: &mut PageTable<Arch>,
795     unmap_parents: bool,
796     allocator: &mut impl FrameAllocator,
797 ) -> Option<(PhysAddr, PageFlags<Arch>)> {
798     // 获取页表项的索引
799     let i = table.index_of(vaddr)?;
800 
801     // 如果当前是最后一级页表,直接取消页面映射
802     if table.level() == 0 {
803         let entry = table.entry(i)?;
804         table.set_entry(i, PageEntry::from_usize(0));
805         return Some((entry.address().ok()?, entry.flags()));
806     }
807 
808     let mut subtable = table.next_level_table(i)?;
809     // 递归地取消映射
810     let result = unmap_phys_inner(vaddr, &mut subtable, unmap_parents, allocator)?;
811 
812     // TODO: This is a bad idea for architectures where the kernel mappings are done in the process tables,
813     // as these mappings may become out of sync
814     if unmap_parents {
815         // 如果子页表已经没有映射的页面了,就取消子页表的映射
816 
817         // 检查子页表中是否还有映射的页面
818         let x = (0..Arch::PAGE_ENTRY_NUM)
819             .map(|k| subtable.entry(k).expect("invalid page entry"))
820             .any(|e| e.present());
821         if !x {
822             // 如果没有,就取消子页表的映射
823             table.set_entry(i, PageEntry::from_usize(0));
824             // 释放子页表
825             allocator.free_one(subtable.phys());
826         }
827     }
828 
829     return Some(result);
830 }
831 
832 impl<Arch, F: Debug> Debug for PageMapper<Arch, F> {
833     fn fmt(&self, f: &mut fmt::Formatter<'_>) -> fmt::Result {
834         f.debug_struct("PageMapper")
835             .field("table_paddr", &self.table_paddr)
836             .field("frame_allocator", &self.frame_allocator)
837             .finish()
838     }
839 }
840 
841 /// 页表刷新器的trait
842 pub trait Flusher<Arch: MemoryManagementArch> {
843     /// 取消对指定的page flusher的刷新
844     fn consume(&mut self, flush: PageFlush<Arch>);
845 }
846 
847 /// 用于刷新某个虚拟地址的刷新器。这个刷新器一经产生,就必须调用flush()方法,
848 /// 否则会造成对页表的更改被忽略,这是不安全的
849 #[must_use = "The flusher must call the 'flush()', or the changes to page table will be unsafely ignored."]
850 pub struct PageFlush<Arch: MemoryManagementArch> {
851     virt: VirtAddr,
852     phantom: PhantomData<Arch>,
853 }
854 
855 impl<Arch: MemoryManagementArch> PageFlush<Arch> {
856     pub fn new(virt: VirtAddr) -> Self {
857         return Self {
858             virt,
859             phantom: PhantomData,
860         };
861     }
862 
863     pub fn flush(self) {
864         unsafe { Arch::invalidate_page(self.virt) };
865     }
866 
867     /// 忽略掉这个刷新器
868     pub unsafe fn ignore(self) {
869         mem::forget(self);
870     }
871 }
872 
873 impl<Arch: MemoryManagementArch> Drop for PageFlush<Arch> {
874     fn drop(&mut self) {
875         unsafe {
876             MMArch::invalidate_page(self.virt);
877         }
878     }
879 }
880 
881 /// 用于刷新整个页表的刷新器。这个刷新器一经产生,就必须调用flush()方法,
882 /// 否则会造成对页表的更改被忽略,这是不安全的
883 #[must_use = "The flusher must call the 'flush()', or the changes to page table will be unsafely ignored."]
884 pub struct PageFlushAll<Arch: MemoryManagementArch> {
885     phantom: PhantomData<fn() -> Arch>,
886 }
887 
888 #[allow(dead_code)]
889 impl<Arch: MemoryManagementArch> PageFlushAll<Arch> {
890     pub fn new() -> Self {
891         return Self {
892             phantom: PhantomData,
893         };
894     }
895 
896     pub fn flush(self) {
897         unsafe { Arch::invalidate_all() };
898     }
899 
900     /// 忽略掉这个刷新器
901     pub unsafe fn ignore(self) {
902         mem::forget(self);
903     }
904 }
905 
906 impl<Arch: MemoryManagementArch> Flusher<Arch> for PageFlushAll<Arch> {
907     /// 为page flush all 实现consume,消除对单个页面的刷新。(刷新整个页表了就不需要刷新单个页面了)
908     fn consume(&mut self, flush: PageFlush<Arch>) {
909         unsafe { flush.ignore() };
910     }
911 }
912 
913 impl<Arch: MemoryManagementArch, T: Flusher<Arch> + ?Sized> Flusher<Arch> for &mut T {
914     /// 允许一个flusher consume掉另一个flusher
915     fn consume(&mut self, flush: PageFlush<Arch>) {
916         <T as Flusher<Arch>>::consume(self, flush);
917     }
918 }
919 
920 impl<Arch: MemoryManagementArch> Flusher<Arch> for () {
921     fn consume(&mut self, _flush: PageFlush<Arch>) {}
922 }
923 
924 impl<Arch: MemoryManagementArch> Drop for PageFlushAll<Arch> {
925     fn drop(&mut self) {
926         unsafe {
927             Arch::invalidate_all();
928         }
929     }
930 }
931 
932 /// 未在当前CPU上激活的页表的刷新器
933 ///
934 /// 如果页表没有在当前cpu上激活,那么需要发送ipi到其他核心,尝试在其他核心上刷新页表
935 ///
936 /// TODO: 这个方式很暴力,也许把它改成在指定的核心上刷新页表会更好。(可以测试一下开销)
937 #[derive(Debug)]
938 pub struct InactiveFlusher;
939 
940 impl InactiveFlusher {
941     pub fn new() -> Self {
942         return Self {};
943     }
944 }
945 
946 impl Flusher<MMArch> for InactiveFlusher {
947     fn consume(&mut self, flush: PageFlush<MMArch>) {
948         unsafe {
949             flush.ignore();
950         }
951     }
952 }
953 
954 impl Drop for InactiveFlusher {
955     fn drop(&mut self) {
956         // 发送刷新页表的IPI
957         send_ipi(IpiKind::FlushTLB, IpiTarget::Other);
958     }
959 }
960 
961 /// # 把一个地址向下对齐到页大小
962 pub fn round_down_to_page_size(addr: usize) -> usize {
963     addr & !(MMArch::PAGE_SIZE - 1)
964 }
965 
966 /// # 把一个地址向上对齐到页大小
967 pub fn round_up_to_page_size(addr: usize) -> usize {
968     round_down_to_page_size(addr + MMArch::PAGE_SIZE - 1)
969 }
970